基于CPLD的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)方法
豐利軍，李槐樹(shù)，孟光偉
(海軍工程大學(xué)，湖北武漢430033)
摘要：介紹了一種基于CPLD芯片的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制方法，對(duì)采用PWM波來(lái)減小起動(dòng)沖擊電流進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，采用CPLD芯片控制，既簡(jiǎn)單可靠，又有較強(qiáng)的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；復(fù)雜可編程邏輯控制器件；軟起動(dòng)
中圖分類(lèi)號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)01—0006—02
0引言
目前，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)主要采用DSP芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于礦山、機(jī)械、艦船上常用的風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)等輔機(jī)來(lái)說(shuō)，在日常運(yùn)行中，并不需要有調(diào)速要求，僅僅要求電動(dòng)機(jī)能平滑起動(dòng)，并帶動(dòng)負(fù)載正常運(yùn)行即可[1]。
本文采用CPLD便可實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)過(guò)程，能夠有效降低電機(jī)起動(dòng)時(shí)的沖擊電流和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，確保電網(wǎng)和生產(chǎn)機(jī)械的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
1采用PWM波軟起動(dòng)的原理
在傳統(tǒng)的由直流母線(xiàn)電壓依次導(dǎo)通各開(kāi)關(guān)管的基礎(chǔ)上，給各開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)加上占空比逐漸增大的PWM波，以減小起動(dòng)過(guò)程中的過(guò)大沖擊電流。
設(shè)穩(wěn)態(tài)時(shí)IGBT開(kāi)關(guān)頻率為f，電機(jī)轉(zhuǎn)速為n。，電機(jī)極對(duì)數(shù)為P，直流母線(xiàn)電壓為Us，在一個(gè)周期內(nèi)，每個(gè)IGBT開(kāi)通時(shí)間為  ，將其分為m等份，則  ，取其為CPLD工作的時(shí)鐘周期，起始占空比為D 1。如圖1所示，在t�！玹 1區(qū)間內(nèi)，由三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型可知： 而剛起動(dòng)時(shí)反電勢(shì)(2k。ω)很小，可忽略�？捎�(jì)算得：
其中：  在t 1～t 2區(qū)間內(nèi)主回路處于放電狀態(tài)，計(jì)算得： 此后，重復(fù)上述過(guò)程，當(dāng)占空比增加至D。時(shí)，計(jì)算得：
imaxn>imax(n-1)。假設(shè)此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為n1，反電勢(shì)不可忽略，不考慮換相過(guò)程的影響，則：
起動(dòng)過(guò)程中，IGBT開(kāi)關(guān)頻率為圖11-----m越大,f2越高，則imaxn．越小，即對(duì)抑制起動(dòng)電流有利，同時(shí)較高的開(kāi)關(guān)頻率降低了電流的波動(dòng)。
D n越大，則i maxn也越大，而D 1通常取百分之10～百分之20(空載)，由圖  ，Dn由占空比增長(zhǎng)率k決定，t n由起動(dòng)總時(shí)間決定。 為此，在起動(dòng)總時(shí)間、軟起動(dòng)****允許電流確定之后，應(yīng)當(dāng)增大m，減小D1，增大k。
2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
對(duì)于本系統(tǒng)，采用Ahera公司****開(kāi)發(fā)的Quar-tusⅡ設(shè)計(jì)軟件。cPLD使用硬件描述語(yǔ)言(VeilogHDL)進(jìn)行器件編程。
CPLD控制原理是：控制器上電后，CPLD根據(jù)三個(gè)霍爾位置信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的六個(gè)輸出信號(hào)；與此同時(shí)，產(chǎn)生占空比逐漸增大的矩形波PwM信號(hào)(占空比增加至1的總時(shí)間因各電機(jī)負(fù)載情況不同而異)，將兩組信號(hào)分別進(jìn)行邏輯與操作，再由芯片輸出作為六只IGBT的驅(qū)動(dòng)觸發(fā)信號(hào)。如圖2所示。
在程序中，設(shè)置有同一橋臂兩管同時(shí)導(dǎo)通情況的保護(hù)；而在外圍驅(qū)動(dòng)隔離放大電路，亦設(shè)置有死區(qū)保護(hù)，以保證IGBT可靠地關(guān)斷。
2．2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．2 .l CPLD芯片簡(jiǎn)介
本系統(tǒng)使用Altera公司的MAX7000S系列的EPM7128SIC-15芯片，它采用cMOs EEPROM技術(shù)制造，****工作頻率可達(dá)200 MHz，包含了邏輯陣列塊(LAB)和內(nèi)部可編程連線(xiàn)資源(PIA)。
2. 2．2主回路設(shè)計(jì)
主回路包括三相電源、整流橋、電壓型逆變模塊、位置傳感器和執(zhí)行元件。如圖3所示，整流器采
用三相全控橋；逆變模塊選用六只三菱MCSOQ2Ys40的IGBT模塊，輸入端加箝位電容；執(zhí)行元件選擇三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)采用霍爾傳感器，適用于高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)。轉(zhuǎn)子位置信號(hào)來(lái)控制六只IGBT的輪流導(dǎo)通，時(shí)刻保證定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)頻率與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)頻率保持同步。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)上述方法對(duì)三相無(wú)劇直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了起動(dòng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)參數(shù)：功率P=3 kW，電樞繞組電感L=1．36 mH，電樞繞組相電阻R=0．81 Ω，額定轉(zhuǎn)速n=1 500 r／min。實(shí)驗(yàn)時(shí)，逆變模塊輸入直流電壓為170 V。圖4和圖5示出了有軟起動(dòng)和直接起動(dòng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。
由圖5可以看出，直接起動(dòng)時(shí)，直接起動(dòng)時(shí)直流母線(xiàn)電流脈動(dòng)很大，幅值也很大。而軟起動(dòng)電流波形較平滑，幅值也較低，具有很好的效果。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，基于cPLD的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的PwM軟起動(dòng)控制，可以有效地降低起動(dòng)沖擊電流，能較好地適應(yīng)風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載起動(dòng)工況，并且控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，造價(jià)低廉，有很強(qiáng)的市場(chǎng)價(jià)值。
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